Как нефункциональные площадки влияют на вашу разработку печатной платы

Дебаты о нефункциональных площадках иногда превращаются в дискуссию с позиции "всё или ничего", и многочисленные споры о надежности и влиянии на целостность сигнала не утихают. Стоит ли их оставлять на ваших переходных отверстиях, или же их следует убрать со всех переходных отверстий? Как и любое решение в дизайне, здесь есть компромиссы, которые нужно сбалансировать, и обычно один аспект дизайна будет иметь приоритет над всеми остальными. Поскольку общего правила использования нефункциональных площадок нет, дизайнерам следует определить, должны ли их разводки включать нефункциональные площадки, исходя из их конкретных приложений.

В этой статье я рассмотрю проблему нефункциональных площадок с трех точек зрения: целостность сигнала, надежность и плотность маршрутизации. В некоторых дизайнах эти вопросы исключают друг друга, поэтому вам нужно будет определить, какая из перечисленных ниже проблем дизайна наиболее важна для вашего продукта.

Надежность дизайна с нефункциональными площадками

Телеграфирование и отказ из-за электрохимической миграции (ECM)

Наличие нефункциональных площадок на сквозных металлизированных отверстиях может привести к состоянию, известному как "телеграфирование". Когда меди в отверстиях слишком много, материал между площадками испытывает недостаток смолы. В результате, изображение стопки меди проявляется в виде пиков и впадин на поверхностных слоях диэлектрика. Другими словами, изображение стопки меди "телеграфируется" на поверхность платы. Высокие точки создают области, где эпоксидная смола может быть "выдавлена", как описал один из наших недавних гостей подкаста. Это оставляет пустоты между соседними площадками под правильным углом, образованным площадкой и стенкой отверстия, что потенциально приводит к тепловому отказу в соединении.

Образование пустот приводит к другой проблеме надежности: отказу из-за электрохимической миграции (ЭХМ). Образование пустот в соединениях отверстий приводит к проблемам с адгезией и создает пути для ЭХМ. Это может вызвать рост дендритных или волокнистых структур между площадками из-за небольшой разницы напряжений между ними. Рост этих структур накапливается со временем, в конечном итоге приводя к отказу печатной платы, который трудно диагностировать.

Если дендритные структуры могут преодолеть промежуток между соседними проводниками, происходит короткое замыкание. Если площадь поперечного сечения дендрита мала, плотность тока будет высокой, и структура может сгореть, фактически устраняя неисправность. Это приводит к прерывистому поведению отказа, которое трудно диагностировать.

Хороший обзор по теме электрохимической миграции (ECM) в этих материалах можно найти здесь:

• И, Пан и др. "Поведение электрохимической миграции медно-покрытых ламинатов и печатных плат с электролесс никелем/погружением в золото под тонкими слоями электролита." Материалы 10, № 2 (2017): 137.

Я бы утверждал, что эти аспекты более важны в случаях, когда плата будет испытывать высокую температуру, частые циклы температурных изменений и работать при высоком напряжении. Все эти случаи приводят к большему потенциалу отказа. Поэтому, если нет других причин для их сохранения, рассмотрите возможность удаления нефункциональных площадок.

Сохранение нефункциональных площадок для закрепления против износа сверла

Во многих случаях нефункциональные площадки относительно безвредны. Производителям обычно нравится, когда нефункциональные площадки удаляют, поскольку это облегчает сверление. Однако сохранение этих площадок обеспечивает лучшее закрепление на подложке во время расширения и вибрации, поэтому считается, что это увеличивает срок службы этих переходных отверстий. Эти дебаты частично связаны с соотношением сторон переходных отверстий.

В переходных отверстиях с низким соотношением сторон медное покрытие внутри более равномерное, и нефункциональные площадки могут увеличить срок службы переходного отверстия. Сочетание закрепления, обеспечиваемого площадкой, и более равномерное внутри барреля переходного отверстия делает переходное отверстие менее подверженным трещинам. В переходных отверстиях с высоким соотношением сторон баррель переходного отверстия более склонен к трещинам в центре из-за более тонкого медного покрытия в центре барреля переходного отверстия, независимо от наличия нефункциональных площадок.

Нефункциональные площадки на жестко-гибких платах

При проектировании гибких и жестко-гибких печатных плат следует проявлять осторожность. Медь в металлизированном сквозном отверстии не соединяется с гибкой подложкой так же крепко, как с жесткой подложкой. Поскольку соединение меди является проблемой надежности на гибких подложках, нефункциональные площадки теперь становятся полезными.

Некоторые производители рекомендуют оставлять на гибких и жестко-гибких платах хотя бы некоторые нефункциональные площадки для обеспечения закрепления материала гибкой пленки Kapton Mylar. Если удалить все нефункциональные площадки вдоль переходного отверстия на гибкой печатной плате, расстояние между функциональными площадками становится очень большим, и металлизация может начать отслаиваться от стенки отверстия. Все площадки, как функциональные, так и нефункциональные, служат точками закрепления, которые распределены вдоль ствола переходного отверстия. Это увеличивает прочность переходного отверстия на гибкой или жестко-гибкой печатной плате.

Продвинутые платы: Плотность трассировки и высокоскоростные/РЧ

Нефункциональные площадки занимают ценное пространство на внутренних слоях в более тонких многослойных платах HDI. Пока вы можете быть уверены, что плата останется стабильной при термоциклировании, может быть желательно удалить нефункциональные площадки для уплотнения трассировки на внутренних слоях. Это представляет собой вызов в более продвинутых проектах, где проблемы надежности отсутствуют.

Другая область, где полезно удалять нефункциональные площадки, - это высокоскоростные конструкции или РЧ-конструкции, в частности на переходных отверстиях, по которым проходят быстрые сигналы или сигналы высокой частоты. Другие переходные отверстия в этих конструкциях могут быть обработаны в соответствии с другими перечисленными выше рекомендациями.

Причина, по которой это важно в этих более сложных проектах, заключается в целостности сигнала, и, в частности, в разработке переходов через переходные отверстия с определенным импедансом. Чтобы достичь целевого импеданса с переходом через переходное отверстие, вам нужны два элемента:

• Сшивающие переходные отверстия
• Антипады на слоях плоскости

Нерабочие площадки создадут дополнительную распределенную емкость вдоль стенки переходного отверстия, и структуры переходных отверстий очень чувствительны к емкостной нагрузке на высоких частотах. Чувствительность настолько велика, что импеданс переходного отверстия может измениться с индуктивного на емкостной между частотами WiFi и миллиметровых волн, как я обсуждал в этой связанной статье. Поэтому я предпочитаю просто удалять нерабочие площадки на этих переходах через переходные отверстия. Это позволяет установить антипады на внутренних слоях одинакового диаметра, что сокращает пространство параметров, задействованных в оптимизации этих структур для очень высоких частот.

Настройте каждый пэдстек на вашей печатной плате

Суть в том, что нефункциональные площадки не требуются для того, чтобы печатная плата была изготовлена правильно, но это также не означает, что плата обязательно выйдет из строя, если вы их оставите. Некоторые рекомендации гласят, что нужно всегда удалять все нефункциональные площадки. Лично я предпочитаю оставлять НФП на более простых конструкциях ради удобства размещения и трассировки, но на более сложных конструкциях с сигналами их следует удалять. Для меня это сводится к двум аспектам: классу IPC (или эквивалентному стандарту надежности для данного продукта) или наличию структуры переходных отверстий на канале РЧ/высокой скорости.

Сквозные отверстия в классе 2 против класса 3 - Если я работаю над дизайном класса 3 и отверстие используется для сквозных деталей, я оставлю достаточно большую площадку на функциональных слоях, которая соответствует верхним/нижним слоям, чтобы мы могли предотвратить выход за границы везде, и я удалю их во всех остальных местах. Размеры функциональных площадок будут диаметром (Via/Pad) (D/D + 10 мил) для класса 3.

RF/Высокоскоростные - Для переходных отверстий в высокоскоростных каналах, требующих контролируемого импеданса, я уберу NFP, чтобы надежно установить желаемое значение импеданса. Я предпочитаю делать это, потому что установить импеданс в инструменте для проектирования переходных отверстий, таком как Simbeor или CST, проще; удаление NFP убирает один параметр из пространства проектирования. Однако, если главное внимание уделяется надежности, то NFP останутся на padstack.

Когда вы используете Altium Designer^®, вы можете легко настроить padstack на каждом слое. Вам не понадобится внешняя программа для создания padstack, все происходит внутри редактора PCB. Вы даже можете разместить NFP разного размера на разных слоях, или можете удалить NFP на определенных слоях. Этот удобный инструмент помогает вам найти баланс между плотностью маршрутизации, надежностью и проектированием высокоскоростных переходных отверстий.

Создание пользовательских padstack просто внутри Altium Designer. Узнайте больше в документации.

Когда вам нужно разработать многослойные печатные платы со всеми необходимыми инструментами в одной программе, используйте полный набор инструментов для трассировки печатных плат в Altium Designer. Интегрированные инструменты производства и утилита Draftsman автоматически создадут необходимую документацию, чтобы обеспечить соответствие требованиям к производительности вашего продукта в инструкциях по изготовлению, включая точную таблицу сверления, которая указывает размеры сверл. Когда вы закончили свой проект и хотите отправить файлы вашему производителю, платформа Altium 365 упрощает сотрудничество и обмен проектами.

Мы только начали раскрывать возможности Altium Designer на Altium 365. Начните свою бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.